Q125.docx
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Q125
湖南华菱涟源钢铁有限公司—北京科技大学
“高性能N80Q、P110、Q125石油套管用热轧卷板的产品开发及工艺研究”
实验分析—Q125
北京科技大学
冶金工程研究院
高效轧制国家工程研究中心
2010年05月
1Q125成分、工艺、组织分析
1.1试验材料
本次试验的材料为北京科技大学冶金工程研究院试验中心冶炼的Q125级石油套管钢，其成分如表1所示。
铸坯锻造成80mm板坯，加热温度：
1220℃，加热时间为2小时。
对于8mm厚度钢板粗轧终轧控制为1000±30℃，中间坯厚度建议为成品厚度的35mm。
精轧终轧温度840～890℃。
采用控制冷却工艺，卷取温度控制在610-650℃。
淬火工艺加热温度930℃，回火温度控制在500-650℃，回火时间按60min控制。
表1试验样品的成分
钢种
C
Si
Mn
Cr
Ni
Ti
Mo
V
Q125
0.18
0.3
1.3
0.4
0.3
0.015
0.3
0.04
1.2力学性能
表2给出了Q125的拉伸和冲击性能。
表2Q125的拉伸冲击性能
钢种Q125
屈服强度MPa
抗拉强度MPa
延伸率%
冲击Akv（0）
水淬
1180
1360
6
26
500℃回火
910
995
15.5
80
550℃回火
890
985
16
70
600℃回火
880
970
16
93
630℃回火
885
980
17
88
650℃回火
870
965
16
79
1.3显微组织观察
经过研磨、抛光和5%的硝酸酒精溶液的侵蚀后，从宏观角度来看，由图可见，经过500-650℃回火后，Q125组织基本为回火贝氏体，各项性能指标达到要求，630-650℃回火后，组织开始发生再结晶，出现了少量多边形铁素体，导致强度有一定幅度下降但仍能够满足Q125的性能要求。
500℃回火530℃回火
淬火态500℃回火
550℃回火600℃回火
630℃回火650℃回火
图1Q125不同状态下的组织形貌
2
Q125在低温冲击断裂时的裂纹萌生与扩展
2.1示波冲击实验结果
图2-4分别为实验温度为0℃、-20℃、-40℃时的示波冲击图。
图2为典型的冲击载荷（能量）－挠度曲线，由图2可见，在冲击载荷作用下，首先进入的是缺口根部弹性变形阶段，冲击载荷随挠度呈线性增加，冲击载荷增加到一定值开始偏离弹性比例线，发生净截面屈服，记为净截面屈服载荷Fgy；随之载荷呈指数关系上升，缺口根部塑性变形开始并逐渐增加，伴随加工硬化现象，载荷增大到最大值，记为Fmax，裂纹已经萌生并开始延性扩展；此时试样两侧在缺口处呈现侧向收缩。
因而认为，裂纹萌生是与缺口处一定范围内的塑性变形相关的。
以后载荷逐渐下降，当载荷达到Fiu时，载荷突然激烈下降，对于韧性材料而言，由于剪切唇的撕裂载荷陡降后仍有一缓降过程。
当载荷达到Fiu之后，裂纹即失稳扩展。
裂纹扩展过程中载荷呈阶梯状下降，证明裂纹扩展受到较大的阻力，这是材料韧性好的缘故。
冲击载荷在各变形和断裂阶段的变化过程，对应着冲击吸收能量的变化，最大载荷值Fmax对应的冲击能量消耗Akl包含了试样缺口根部弹性变形功（载荷0-Fgy）和塑性变形功（载荷Fgy-Fmax），此时裂纹已在缺口根部萌生，因而Akl表征裂纹萌生所消耗的能量，它主要与缺口根部的应力集中情况及表面状态有关。
裂纹萌生后进入稳定扩展阶段，载荷值随着绕度的增加较为缓慢的下降，至某一挠度值后（裂纹达到临界长度，载荷Fiu）突然激烈下降，裂纹失稳扩展，导致断裂。
裂纹稳定扩展消耗的能量Ak2和失稳扩展消耗的能量Ak3之和Ak23统称为裂纹扩展功。
图20℃下Q125高强钢示波冲击载荷（能量）－挠度曲线
图3-20℃下Q125高强钢示波冲击载荷（能量）－挠度曲线
图4-40℃下Q125高强钢示波冲击载荷（能量）－挠度曲线
按照图2-4中载荷－挠度曲线记录的冲击断裂过程可将Q125级高强钢不同冲击温度下试样的冲击断裂分为三种类型：
第一种类型为韧断型，如图2所示，失稳断裂发生在较大的塑性变形，冲击功很高，裂纹稳定扩展功在总能量消耗中占有很高的比例，失稳断裂载荷降低到较低的水平，与冷脆转变曲线上平台位置相对应；第二种为脆断型，如图2所示，失稳断裂发生在冲击载荷达到最大值之前，断裂载荷较高，失稳断裂发生在冲击载荷达到最大值之前，断裂载荷较高，失稳断裂对应的挠度值很小，缺口根部的塑性变形很小，总冲击功很低，裂纹萌生后立即发生失稳扩展，裂纹扩展吸收的能量几乎为零，与冷脆转变曲线的下平台位置相对应；第三种类型为过渡型，如图3所示，经过最大载荷值点，裂纹经过了一较短暂的稳定扩展阶段发生失稳断裂，裂纹萌生和扩展消耗的能量大小相当，这一断裂类型相当于出现在冷脆转变曲线上下平台之间的过渡区。
2.2开裂与组织的关系
2.2.10℃
宏观断口表面呈暗灰色。
断口由源区、放射区及剪切唇区组成。
源区在缺口附近，随后是放射区，三个自由表面则是剪切唇区。
微观断口显示，源区、放射区和剪切唇区均为韧窝断裂，放射区的韧窝较大、较深（图5中（c）），源区和剪切唇区的韧窝较小、较浅（图5中（b）和图5中（d））。
图5断口形貌（a）宏观断口形貌;（b）源区韧窝断裂特征（a中1区）;（c）放射区韧窝断裂特征（a中2区）;（d）剪切唇区韧窝断裂特征（a中3区）
2.2.2-20℃
这时的开裂机制同0℃下发生了很大的变化。
宏观断面较平坦，呈暗灰色。
裂纹源在近缺口处形成，随后是放射区，放射区有明显的放射棱。
三个自由表面则是剪切唇区，剪切唇区所占比例较小（图6（a））。
微观断口显示，源区的韧窝较浅平（图6（c））。
放射区为解理断裂（图6（e））。
剪切唇区很窄，韧窝较小、较浅（图6中（f））
图6断口形貌（a）宏观断口形貌;（b）源区韧窝断裂特征（a中1区）;（c）源区韧窝断裂特征（b中1区）;（d）源区韧窝断裂特征（b中1区）;（e）放射区韧窝断裂特征（a中2区）;（f）剪切唇区韧窝断裂特征（a中3区））
2.2.3-40℃
这时的断裂机制时解理断裂。
宏观断面较平坦，呈暗灰色。
裂纹源在近缺口处形成，随后是放射区，放射区有明显的放射棱。
三个自由表面则是剪切唇区，剪切唇区很窄，所占比例较小（图7（a））。
微观断口显示，源区的韧窝较浅平（图2.8（c））。
放射区为解理断裂（图2.8（d、e））。
剪切唇区韧窝较小、较浅（图2.8中（f））
图7断口形貌（a）宏观断口形貌;（b）源区韧窝断裂特征（a中1区）;（c）源区韧窝断裂特征（a中1区）;（d）源区韧窝断裂特征（a中2区）;（e）放射区韧窝断裂特征（a中2区）;（f）剪切唇区韧窝断裂特征（a中3区））
2.3分析和讨论
示波冲击实验所测的冲击功包括两个部分，一部分是裂纹形核功，另一部分是裂纹扩展功，同裂纹扩展功相比，裂纹形核功所占的比例很小。
在材料的韧脆转变温度范围内，裂纹形核功基本不变，而裂纹扩展功则随温度的降低而减小。
故温度降低时冲击功的变化主要受裂纹扩展功的变化所控制。
从宏观上看，金属中裂纹的走向主要由应力原则和能量原则所决定。
在晶界附近由于相邻晶粒取向不同的约束，当扩展裂纹由一个晶粒进入相邻晶粒时，由于滑移系或解理面方向的变化，穿过复杂位错结构的晶界比较困难；晶界对裂纹的扩展起到有效的阻碍作用，它可以使得裂纹扩展发生偏折，扩展路径增加，消耗的能量增大。
因此断裂过程中裂纹的扩展路径对断裂能量消耗起着决定性的作用。
Q125高强钢的冲击韧度随温度的降低而降低，温度低于-40℃时的裂纹形成功、裂纹扩展功和总功均随温度降低明显下降。
随着温度的降低，断口上的空洞数量增多，体积增大，导致裂纹扩展容易，裂纹扩展功下降。
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